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수평증류를 이용한 에탄올-프로판올 혼합물의 증류실험
Experimental Distillation of Ethanol-Propanol Mixture Using a Horizontal Column 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.51 no.1, 2013년, pp.93 - 97  

김병철 (동아대학교 화학공학과) ,  김영한 (동아대학교 화학공학과)

초록

소형 충전물을 이용한 수평형 증류 장치를 제작하여 실험실 규모의 증류실험을 실시하였다. 직경 6.7 mm Raschig 링 형태의 스테인레스 스틸 충전물을 넣은 40 mm 직경의 유리관을 증류탑으로 사용하였다. 증류관의 길이 방향으로 5개의 독립된 전기가열기를 배열하여 증류관 내부 온도를 분리 조절할 수 있도록 하였다. 증류관 내의 온도가 길이에 따라 연속적으로 변화하도록 조절함으로써 각각의 온도에 상응하는 기-액 평형을 형성하여 분리가 가능하도록 하였다. 증류실험의 결과 증류관의 증류단 상당길이(HETP)가 수직형 증류관에 비해 큰 것을 알았으며, 실용화가 가능한 처리용량과 분리효율을 얻었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A lab-sized distillation experiment was conducted using small-size packings and a horizontal distillation column. The 6.7 mm Raschig ring type packings of stainless steel and a 40 mm glass column were used, and five independent electric heaters were installed in the axial direction to adjust the col...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 수평형 분별 증류장치는 수직형 분별 증류장치에 비해 액의 체류 시간이 길어 지속적인 환류가 없어도 증류탑 내에서 액을 장시간 체류시킬 수 있다. 그러나 수평형 분별 증류장치를 사용한 기존의 실험연구에서 원료의 처리량이 매우 적어 실제 활용의 가능성에 대한 완전한 해답이 없었기 때문에 본 연구에서는 에탄올과 n-프로판올의 2성분을 분리하는 증류실험을 실시하여 보다 큰 용량의 분리가 가능한지를 조사하였고, 또한 수평형 증류탑의 실용 가능성과 증류효율에 대해 살펴보았다.
  • 고효율 증류탑은 3 가지로 분류될 수 있는데 분리벽형 증류탑, 내부 열교환형 증류탑 및 비단열 증류탑이 있다. 그러나 이들은 모두 수직형 증류탑으로 증류탑의 방향을 수평으로 하면 기존의 증류탑이 가지는 여러 가지 문제를 해결할 수 있는 장점이 있어 이를 시험하고자 하였다.
  • 기존 증류탑에서 발생하는 전열의 과정을 동일하게 수평형 증류탑에 활용함으로써 분리의 조작을 수행할 수 있음을 실험적으로 보이고자 하였다. 이러한 분리 조작의 성능은 Table 2의 실험 결과에서 알 수 있다.
  • 본 연구에서는 기존의 수직형 증류 장치 대신 수평형 증류 장치를 이용한 이성분 증류탑을 사용하여 액의 체류시간을 충분히 가질 수 있는 증류 장치를 제안하고, 이를 이용한 이성분 분별 증류 실험을 실시하여 그 효과를 조사하였다. 수평형 분별 증류장치는 수직형 분별 증류장치에 비해 액의 체류 시간이 길어 지속적인 환류가 없어도 증류탑 내에서 액을 장시간 체류시킬 수 있다.
  • 수직형 분별 증류장치에서 충전물 표면의 액 분산은 기-액 접촉면적에 가장 큰 영향을 미치며 기-액 간 물질전달 속도에 비례하므로 충전탑의 효율에 직접적으로 영향을 끼친다. 여러 가지 물리적 성질 중에서 액의 표면장력은 충전물 표면에서 액의 분산에 가장 큰 영향을 미치므로 이들의 관계를 실험적으로 연구하였다[5]. 최근 들어 일정배열 구조의 충전탑이 상업용으로 많이 사용됨에 따라 충전탑의 설계용 이론단의 추정을 위한 많은 연구가 많이 진행되고 있다[6].
  • 증류관의 양단은 실리콘 고무마개를 막고 1/4인치 동관을 설치하여 제품을 생산하였다. 유리 증류관은 온도를 조절하여 기-액 평형을 유지함으로써 저비점 제품과 고비점 제품의 분리 생산이 가능하도록 하였다. 즉 그림에서 H1으로 표시된 부분은 가장 낮은 온도, H5로 표시된 부분은 가장 높은 온도를 유지함으로써 증류관의 온도분포가 왼쪽에서 오른쪽으로 균일하게 상승하도록 유지하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
기존의 증류탑은 어떻게 구성되어 있는가? 증류 공정에서 사용되는 기존의 증류탑은 수직형 분별 증류장치를 사용한 것으로 증류공정에서 이성분 분별 증류장치는 원료가 공급되는 증류탑의 공급단을 기준으로 상부제품을 분리하는 정제부와하부제품을 분리하는 회수부로 구성되어 있다. 회수부의 하단에 재비기가 설치되어 탑의 하단으로 증기를 공급하고 공급된 증기는 탑상부 즉, 정제부를 거쳐 탑 상단으로 배출된 후 냉각기에서 액으로냉각되어 다시 탑으로 환류되며, 탑 내에서 기액 접촉을 연속으로할 수 있도록 한 구조를 가지고 있다.
고효율 증류탑은 어떻게 분류되는가? 증류 공정에서의 에너지 절감을 위해 기존 증류탑을 활용한 여러가지 변형된 형태나 구조의 증류탑이 제안되었고 이들 증류탑의 효율성과 에너지 절감효과를 알아보기 위한 많은 연구가 발표되었다[1-3]. 고효율 증류탑은 3 가지로 분류될 수 있는데 분리벽형 증류탑,내부 열교환형 증류탑 및 비단열 증류탑이 있다. 그러나 이들은 모두 수직형 증류탑으로 증류탑의 방향을 수평으로 하면 기존의 증류탑이 가지는 여러 가지 문제를 해결할 수 있는 장점이 있어 이를 시험하고자 하였다.
수직형 분별 증류장치가 가지는 문제점은 무엇인가? 이와 같은 분별증류 장치는 충전물을 사용하여 효율성을 많이 증대되었으나, 수직형 분별증류 장치가 가지는 한계는 액이 충전물의표면에 체류하는 시간이 제한적이라는 점이다. 즉 중력 때문에 액이충전물 표면에서 체류하는 시간은 극히 짧으며, 이를 극복하기 위하여 환류에 의한 액의 지속적인 공급이 필요하다. 이러한 문제는 충전탑 뿐만 아니라 트레이 탑에서도 동일하게 적용된다.
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참고문헌 (8)

  1. Lee, M. Y. and Kim, Y. H., "Design of Thermally Coupled Distillation Process Utilizing Existing Columns," Korean Chem. Eng. Res.(HWAHAK KONGHAK), 46(5), 1017-1022(2008). 

  2. Hwang, K. S., Kim, B. C. and Kim, Y. H., "Experimental Evaluation of a Modified Fully Thermally Coupled Distillation Column," Korean J. Chem. Eng., 27(4), 1056-1062(2010). 

  3. Choi, Y. M., Woo, D. S., Cho, H. and Han, M. W., "Control of Reactive Dividing Wall Column for the Recovery of Lactic Acid," Korean Chem. Eng. Res.(HWAHAK KONGHAK), 49(3), 306- 313(2011). 

  4. Kim, B. C., Cho, T. J. and Kim, Y. H., "Development of Small Distillation Column for Performance Evaluation of Distillation Column," Korean Chem. Eng. Res.(HWAHAK KONGHAK), 48(5), 668-671(2010). 

  5. Tsai, R. E., Schultheiss, P., Krttner, A., Lewis, J. C., Seibert, A. F., Eldridge, R. B. and Rochelle, G. T., "Influence of Surface Tension on Effective Packing Area," Ind. Eng. Chem. Res., 47, 1253-1260 (2008). 

  6. Orlando, Jr., A. E., Medina, L. C., Mendes, M. F. and Nicolaiewsky, E. M. A., "HETP Evaluation of Structured Packing Distillation Column," Brazil. J. Chem. Eng., 26, 619-633(2009). 

  7. Seok, D. R. and Hwang, S. T., "Zero-gravity Distillation Utilizing the Heat Pipe Principle (micro-distillation)," AIChE J., 31, 2059- 2065(1985). 

  8. Sundberg, A., Uusi-Kyyny, P. and Alopaeus, V., "Novel Microdistillation Column for Process Development," Chem. Eng. Res. Des., 87, 705-710(2009). 

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